(57)【要約】【課題】  高いキンクレベルを有するリッジ導波路型窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  窒化物半導体レーザ素子は、基板（１０１）上において窒化物の活性層（１０５）を含む複数の化合物半導体層（１０２−１０９）からなる半導体積層構造を備え、その半導体積層構造は水平方向光閉込め作用のためのリッジストライプを有し、そのリッジストライプの両側に位置するリッジ底面（１１４）上に第１の埋込み層（１１２）を有し、その第１の埋込み層上に第２の埋込み層（１１３）を有し、第１の埋込み層はレーザ発振波長の光に対して吸収特性を有し、第２の埋込み層は絶縁性を有すると共にレーザ発振波長の光に対して透明であり、第１の埋込み層は第２の埋込み層より小さな厚さを有しており、そしてレーザ発振波長の光が第１の埋込み層を透過して第２の埋込み層まで染み出し得ることを特徴としている。【選択図】        図１
2006269954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上において窒化物の活性層を含む複数の化合物半導体層からなる半導体積層構造を備え、
前記半導体積層構造は水平方向光閉込め作用のためのリッジストライプを有し、
前記リッジストライプの両側に位置するリッジ底面上に第１の埋込み層を有し、
前記第１の埋込み層上に第２の埋込み層を有し、
前記第１の埋込み層はレーザ発振波長の光に対して吸収特性を有し、
前記第２の埋込み層は絶縁性であるとともに前記レーザ発振波長の光に対して透明であり、
前記第１の埋込み層は前記第２の埋込み層より小さな厚さを有しており、
前記レーザ発振波長の光が前記第１の埋込み層を透過して前記第２の埋込み層まで染み出し得ることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記レーザ発振波長をλ［μｍ］、前記レーザ発振波長λにおける窒化ガリウムの屈折率をｎGaN、および前記第２の埋込み層の屈折率をｎ（ｎ＜ｎGaN）とした場合に、前記第２の埋込み層は、
λ／｛２・２・π・√（ｎGaN2−ｎ2）｝  ［μｍ］
以上の厚さを有しており、前記第２の埋込み層上には電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記リッジストライプの側面からの距離が少なくとも０．５μｍまでの範囲内にわたって、前記リッジ底面と前記第１の埋込み層との間に少なくとも第３の埋込み層が付加されており、前記第３の埋込み層はレーザ発振波長の光に対して透明であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記レーザ発振波長をλ［μｍ］、前記レーザ発振波長λにおける窒化ガリウムの屈折率をｎGaN、さらに前記第１の埋込み層の屈折率実数部、吸収係数、および厚さをそれぞれＲ、α［ｃｍ-1］、およびｔ［μｍ］とした場合に、前記リッジストライプからの距離が少なくとも０．５μｍまでの範囲内にわたって、
Ｒ＜ｎGaNかつ０．００１≦ｔ≦｛２π√（ｎGaN2−Ｒ2）／λ＋（α／２００００）｝-1
又は
Ｒ＞ｎGaNかつ０．００１≦ｔ≦１０5／α
の条件を満たしていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記リッジストライプの幅は１．０μｍ以上で２．０μｍ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
水平方向基本次横モードと水平方向１次横モードとに関して、前記埋込み層によるモード吸収係数の差が５ｃｍ-1以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
水平方向基本次横モードのモード吸収係数が２０ｃｍ-1以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記ストライプの幅をＷとし、ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）における水平方向半値全角をθ‖とした場合に、前記ストライプの外の局所吸収係数αoutが次式
１０／１０×ｅｘｐ（−０．２２６８３４−０．７３４３５Ｗ−０．０９２１４０２θ‖＋０．３９３３２５Ｗ・θ‖）  ≦  αout  ≦  ５／５×ｅｘｐ（４．２６７０５−２．３１０１８Ｗ−０．３５１３８θ‖＋０．４８５６７Ｗ・θ‖）
を満たすように、前記第１の埋込み層の材料と厚さが決定されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記第１の埋込み層の厚さが０．０４μｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
電気的信号で与えられる情報を光記録媒体に記録する光学式情報記録装置であって、
請求項１から９のいずれかの窒化物半導体レーザ素子と、
前記電気的信号に応じて前記窒化物半導体レーザ素子から記録用のレーザ光を射出させる光射出制御手段と、
前記窒化物半導体レーザ素子から射出されたレーザ光を集光する集光手段と、
前記集光手段で集光されたレーザ光を前記光記録媒体の所定の位置に照射して前記情報を記録する照射位置制御手段と、
を含むことを特徴とする光学式情報記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子およびそれを用いて光学的に情報を記録および／または再生を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式情報記録装置などにおいては、情報記録の高速度化の要請に伴って、高出力で安定したレーザ光を発生させる半導体レーザ素子が熱望されている。また、記録媒体における情報記録の高密度化の要請に伴って、波長の短いレーザ光を射出する半導体レーザ素子が熱望されている。
【０００３】
一般的な光学式情報記録装置では、記録媒体における記録層物質の結晶相変化または磁気相転移を利用する記録方式が採用されており、レーザ光のエネルギは情報記録時の熱源として利用されている。したがって、情報記録の高速化を実現するためには、レーザ素子の光出力を高める必要がある。
【０００４】
しかし、半導体レーザ素子の光出力を高めるために電流注入量を増加させた場合、半導体レーザ素子は基本次水平横モードで発振するのみならず、高次水平横モードでも発振することが知られている。その結果、レーザ光を小さいスポットに集光させることが困難となり、また収束レーザ光のスポットが位置ずれを起こしやすくなり、そして記録密度を低下させることとなる。
【０００５】
なお、横モードには水平横モードと垂直横モードが存在するが、問題となるのは水平横モードにおける高次発振である。なぜならば、レーザ素子の製造過程における長さの加工精度に関して、レーザ構造を構成する複数の半導体層の積層方向の加工精度の方がその積層方向に垂直な方向に比べて高いので、膜厚の高精度制御によって高次垂直横モードを発振させずに基本垂直横モードのみを発振させる素子構造を形成し得るからである。
【０００６】
波長の短いレーザ光を射出し得る半導体レーザ素子としては、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮおよびそれらの混晶半導体に代表される窒化物系半導体材料を活性層に用いて青色領域から紫外領域のレーザ光を射出し得る窒化物系半導体レーザ素子が考えられ、近年ではそれらの試作も行われるようになってきた。波長の短いレーザ光は、波長の長いレーザ光にくらべて小さい径のスポットに絞ることができる。したがって、窒化物系半導体レーザ素子を光源として用いた光学式情報記録装置は、従来に比べて記録媒体への記録を高密度化できる次世代高密度情報記録装置として注目されている。
【０００７】
図１０は従来の典型的な窒化物半導体レーザ素子の構造を表わす模式的な断面図であり、その紙面に直交する方向が共振器方向（軸方向）である。この窒化物半導体レーザ素子は、基板３００１上に順次積層された下部クラッド層３００２、下部光導波層３００３、三重量子井戸構造の活性層３００４、キャリアストップ層３００５、上部光導波層３００６、上部クラッド層３００７、およびコンタクト層３００８を含んでいる。
【０００８】
上部クラッド層３００７はその中央領域にストライプ状の突出部を有し、その断面形状は凸形状である。コンタクト層３００８は、上部クラッド層３００７の突出部の上面のみを覆うように形成されている。すなわち、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプは、上部クラッド層３００７の突出部とコンタクト層３００８とによって構成されている。このリッジストライプは、上部クラッド膜とコンタクト膜を成膜後に、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いる加工によって形成される。そして、窒化物半導体レーザ素子において、活性層３００４内で生じた光がこのリッジストライプに起因する導波路内に閉じ込められてレーザ発振動作を生ずる。
【０００９】
さらに、図１０の窒化物半導体レーザ素子は、エッチングされた領域の略全面上に形成されていて発振波長の光に対してほぼ透明な埋込み層３００９、コンタクト層３００８と埋込み層３００９を覆うように形成された電極層３０１０、基板３００１の下面上に形成された電極層３０１１をも含んでいる。リッジストライプの長手方向における両端面は、共振器のミラーとして機能する共振器端面である。
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys., Vol.41, (2002), pp.1829-1833
【非特許文献２】J. Appl. Phys., Vol.84, (1998), pp.1196-1203
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来から、半導体レーザ素子に関して、高出力まで安定した発振状態を維持する技術の開発が試みられている。たとえば、ストライプ領域内における水平方向キャリア分布および水平方向光強度分布が非対称形状になることによる不安定状況を改善して単一水平横モード（基本次水平横モードのみ）で高出力まで発振させるために、いわゆる実屈折率導波型（リッジストライプ型）の光導波路を採用したＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子が知られている。高出力まで基本次水平横モードで発振させるためには、光導波路の幅（以下、ストライプ幅と称す）を狭くすることが有効である。ただし、ストライプ幅を狭くしすぎれば、基本次水平横モードの光に対する光閉込めが弱くなり、また半導体レーザ素子の閾値電圧が上昇することが知られている。すなわち、ストライプ幅には最適値が存在する。
【００１１】
ストライプ幅を最適化する技術は、窒化物系半導体レーザ素子に対しても適用できる技術であるが、このストライプ幅の最適値はレーザ発振の波長にほぼ比例するので、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に比べて、窒化物系半導体レーザ素子においては２．０μｍ以下という小さな値となる。したがって、窒化物半導体レーザ素子の特性に与えるストライプ幅の変動の影響は、ストライプ幅の設計値が狭くなるほど顕著となる。その結果、窒化物系半導体レーザ素子では、その特性に与えるストライプ幅の影響を十分小さくするためには、設計値から誤差±０．１μｍ以内の精度でストライプ幅を形成する技術が要求される。しかし、この作製誤差の範囲内に収めることは、プロセス技術上から極めて困難である。したがって、窒化物系半導体レーザ素子に関しては、ストライプ幅の調整のみによって単一水平横モードで高出力まで発振させることが困難である。
【００１２】
他方、図１０に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子において、活性層３００４で発生する光に対して吸収性を有する材料で埋込み層３００９を形成することによって、単一水平横モードで高出力まで発振させる方法が知られている（非特許文献１のTsuyoshi Tojyo et al.：Jpn. J. Appl. Phys., Vol.41, (2002), pp.1829-1833参照）。この非特許文献１では、図１０に示された従来の窒化物系半導体レーザ素子における埋込み層３００９として、レーザ発振波長に関して透明な酸化シリコン（ＳｉＯ2）層と吸収を示すシリコン（Ｓｉ）層とを含む２層構造の吸収層が形成されている。
【００１３】
そして、非特許文献１では、レーザ発振波長に関して透明なＳｉＯ2層の厚さを調節することによって、レーザ発振波長に関して吸収を示すＳｉ層と半導体層との距離を調節している。Ｓｉ層と半導体層との距離が小さくなれば、Ｓｉ層によるレーザ光の吸収が大きくなるので、一定の光出力を得るために必要な窒化物半導体レーザ素子の動作電流が増大する。他方、Ｓｉ層と半導体層の距離が大きくなれば、高出力まで直線的なＩ−Ｌ（電流−光出力）特性を維持できなくなる。したがって、Ｓｉ層と半導体層の距離、すなわちＳｉＯ2層の厚さには最適値が存在し、それは数十ｎｍのオーダーとなる。
【００１４】
ところが、ＳｉＯ2層の厚さを数十ｎｍのオーダーに薄くした場合、それを挟むｐ側電極と半導体層と間でリーク電流を生じる可能性がある。このようなリーク電流は、レーザ利得に寄与しなくて素子の動作電流の増大を招くので、実用上望ましくない。
【００１５】
そこで本発明は、駆動電圧が低くて高出力まで注入電流−光出力特性が良好な、すなわち高いキンクレベルを有するリッジ導波路型窒化物半導体レーザ素子を提供することを主要な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明による窒化物半導体レーザ素子は、基板上において窒化物の活性層を含む複数の化合物半導体層からなる半導体積層構造を備え、その半導体積層構造は水平方向光閉込め作用のためのリッジストライプを有し、そのリッジストライプの両側に位置するリッジ底面上に第１の埋込み層を有し、その第１の埋込み層上に第２の埋込み層を有し、第１の埋込み層はレーザ発振波長の光に対して吸収特性を有し、第２の埋込み層は絶縁性であるとともにレーザ発振波長の光に対して透明であり、第１の埋込み層は第２の埋込み層より小さな厚さを有しており、そしてレーザ発振波長の光が第１の埋込み層を透過して第２の埋込み層まで染み出し得ることを特徴としている。
【００１７】
なお、レーザ発振波長をλ［μｍ］、レーザ発振波長λにおける窒化ガリウムの屈折率をｎGaN、および第２の埋込み層の屈折率をｎ（ｎ＜ｎGaN）とした場合に、第２の埋込み層は、
λ／｛２・２・π・√（ｎGaN2−ｎ2）｝  ［μｍ］
以上の厚さを有することが好ましく、第２の埋込み層上には電極が設けられ得る。
【００１８】
また、リッジストライプの側面からの距離が少なくとも０．５μｍまでの範囲内にわたって、リッジ底面と第１の埋込み層との間に少なくとも第３の埋込み層が付加されてもよく、その第３の埋込み層もレーザ発振波長の光に対して透明であることが好ましい。
【００１９】
レーザ発振波長をλ［μｍ］、レーザ発振波長λにおける窒化ガリウムの屈折率をｎGaN、さらに第１の埋込み層の屈折率実数部、吸収係数、および厚さをそれぞれＲ、α［ｃｍ-1］、およびｔ［μｍ］とした場合に、リッジストライプの側面からの距離が少なくとも０．５μｍまでの範囲内にわたって、
Ｒ＜ｎGaNかつ０．００１≦ｔ≦｛２π√（ｎGaN2−Ｒ2）／λ＋（α／２００００）｝-1
又は
Ｒ＞ｎGaN  かつ  ０．００１≦ｔ≦１０5／α
の条件を満たしていることが好ましい。
【００２０】
リッジストライプの幅は、１．０μｍ以上で２．０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。水平方向基本次横モードと水平方向１次横モードに関して、埋込み層によるモード吸収係数の差は５ｃｍ-1以上であることが好ましい。水平方向基本次横モードのモード吸収係数は、２０ｃｍ-1以下であることが好ましい。
【００２１】
さらに、ストライプの幅をＷとし、ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）における水平方向半値全角をθ‖とした場合に、ストライプの外の局所吸収係数αoutが次式
１０／１０×ｅｘｐ（−０．２２６８３４−０．７３４３５Ｗ−０．０９２１４０２θ‖＋０．３９３３２５Ｗ・θ‖］  ≦  αout  ≦  ５／５×ｅｘｐ［４．２６７０５−２．３１０１８Ｗ−０．３５１３８θ‖＋０．４８５６７Ｗ・θ‖）
を満たすように、第１の埋込み層の材料と厚さが決定されていることが好ましい。また、第１の埋込み層の厚さは、０．０４μｍ以下に設定されていることが好ましい。
【００２２】
本発明による光学式情報記録装置は、上述のような窒化物半導体レーザ素子と、電気的信号に応じて窒化物半導体レーザ素子から記録用のレーザ光を射出させる光射出制御手段と、窒化物半導体レーザ素子から射出されたレーザ光を集光する集光手段と、集光手段で集光されたレーザ光を光記録媒体の所定の位置に照射して情報を記録する照射位置制御手段とを含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、動作電流の増大を抑制しつつ高出力まで安定な横モード発振を実現し得る窒化物半導体レーザ素子を高い歩留りで作製できるという効果を奏する。そして、そのような窒化物半導体レーザ素子を利用することによって、高速かつ高密度で記録可能な光学式情報記録装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
まず、本願発明の明確な理解のために、本願明細書において用いられる幾つかの用語の意義を明らかにしておく。
【００２５】
たとえば、窒化物系半導体とは、通常ではＡｌpＩｎqＧａ1-p-qＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）からなる結晶を意味するが、本願明細書においては、ＡｌpＩｎqＧａ1-p-qＮのみからなる結晶ばかりでなく、ＩＩＩ族原子（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）の一部（２０原子％以下）をＢ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔｌ、Ｇｄ、Ｌａなどで置換した結晶や、ＶＩ族原子であるＮ原子の一部（２０原子％以下）をＰ、Ａｓ、Ｓｂなどで置換した結晶や、それらの結晶に不純物としてＢ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｈ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、ランタノイドなどが添加さた結晶をも意味するものとする。また、本願明細書において、ｎ型窒化物系半導体およびｐ型窒化物系半導体とは、窒化物系半導体に導電型を決定する不純物を含有していることを意味する。
【００２６】
本願明細書において、「リッジストライプの幅」および「ストライプ幅」とは、リッジストライプ形状の断面における概略台形形状の上辺と下辺の平均値を表す。共振器方向にリッジストライプ形状の幅が変化している場合には、全共振器長にわたる台形断面の上辺の平均値と下辺の平均値との平均値を指すものとする。
【００２７】
「垂直方向」とは、半導体層の厚さ方向を意味する。また、「水平方向」とは、共振器方向に平行でかつ半導体層の厚さ方向に対して垂直な方向を意味する。
【００２８】
「ストライプ内局所的等価屈折率Ｎin」とは、ストライプ内で垂直方向の屈折率分布を有する仮想的なスラブ導波路を考えて、そのような導波路において通常の電界分布計算により求まる等価屈折率を意味するものとする。同様に、「ストライプ外局所的等価屈折率Ｎout」とは、ストライプ外で垂直方向の屈折率分布を有する仮想的なスラブ導波路を考え、そのような導波路において通常の電界分布計算により求まる等価屈折率を意味するものとする。また、「ストライプ外局所吸収係数αout」は、（ストライプ外局所的等価屈折率の虚数部Ｉｍ［Ｎout］）×２×２π／（レーザ発振波長［ｃｍ］）により求まる値とする。
【００２９】
「水平横モード」とは、ストライプ幅Ｗに対して次式１に示される局所的等価屈折率分布ｎ（ｙ）で決まる屈折率分布を有する仮想的なスラブ導波路を考えて、そのような導波路において通常の電界分布計算により求まるモードを意味するものとする。
【００３０】
ｎ（ｙ）＝Ｎin（｜ｙ｜≦Ｗ），Ｎout（｜ｙ｜＞Ｗ）      （式１）
「基本次水平横モード」および「１次水平横モード」とは、水平横モードの基本次モードおよび１次モードをそれぞれ意味する。「基本次モード吸収係数」とは基本次水平横モードの等価屈折率の虚数部×２×２π／（レーザ発振波長［ｃｍ］）により求まる値であり、「１次モード吸収係数」とは１次水平横モードの等価屈折率の虚数部×２×２π／（レーザ発振波長［ｃｍ］）により求まる値とする。
【００３１】
さらに、「水平方向閉込め係数Γ‖」とは、水平横モードの水平方向光強度分布をＩ（ｙ）とし、窒化物半導体レーザ素子のストライプ幅内を次式２として下記式３で定義される量とする。
【００３２】
【数１】
2006269954.tif 000003
【００３３】
電界分布計算は、スラブ導波路における通常の電界分布計算を意味する。その計算手法としては、たとえば非特許文献２のM. J. Bergmann and H. C. Casey, Jr.: J. Appl. Phys., Vol.84, (1998). pp.1196-1203を参照することができる。電界分布計算におけるパラメータである発振波長λ［ｎｍ］における各材料の屈折率ｎは、次のように求められる。その発振波長λは、３００〜８００ｎｍの範囲とすることができる。たとえば、窒化物系半導体材料のエネルギバンドギャップであるパラメタEg［ｅＶ］は以下の数式で与えられる。
【００３４】
ＩｎsＧａ1-sＮ（0≦s≦1）に関しては、
Eg=Eg1［s］=3.42（1-s）+2.65s-3.94s（1-s）
ＡｌtＧａ1-tＮ（0≦t≦1）に関しては、
Eg=Eg2［t］=3.42（1-t）+6.2t-1.057t（1-t）
ＩｎsＡｌtＧａ1-s-tＮ（0＜s＜1；0＜t＜1）に関しては、
Eg=｛s・Eg1［s+t］+t・Eg2［s+t］｝/（s+t）
そして、屈折率ｎは、以下の数式によって求められる。
【００３５】
p［λ］=1/［1/λ-（Eg-3.42）/1239.852］とおいて、
p［λ］＞360.7のとき、
ｎ（p［λ］）=［4.3663801+p2/（p2-295.92）］0.5
p［λ］≦360.7のとき、
ｎ（p［λ］）=c0+c1・q+c2・q2+c3・q3+c4・q4
q = p［λ］-360
c0= 2.718
c1= 9.976e-3
c2= 3.005e-4
c3= 4.584e-6
c4= 2.596e-8
なお、本願明細書において行う電界分布計算では、可視波長に対して吸収を示す埋込み層の吸収係数を例外として、他の層は全て光吸収しないものとして計算を行う。
【００３６】
さらに、念のために述べておけば、本願発明において光学的に情報を記録および／または再生を行う装置は、情報を記録するための記録光の光源または情報を再生するための光源として、上述のような本願発明に係る窒化物半導体レーザ素子を少なくとも１つ備えることを特徴としている。すなわち、記録光の光源または再生光の光源として本願発明に係る窒化物半導体レーザ素子を備える限りにおいて、光学式情報記録装置のその他の構成には公知のいかなる構成を用いてもよい。
【００３７】
より具体的には、本願発明に係る光学式情報記録装置は、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子と、電気的信号に応じて窒化物半導体レーザ素子から記録用のレーザ光を射出させる記録光射出制御手段と、窒化物半導体レーザ素子から射出したレーザ光を集光する集光手段と、集光手段で集光されたレーザ光を光記録媒体の所定の位置に照射して情報を記録する照射位置制御手段とを含む構成であり得る。この構成の場合、光学的記録専用装置とも呼ばれる。本発明によって高出力まで基本次水平横モードで発振するのみならずＦＦＰにおける楕円率を１に近づけた窒化物半導体レーザ素子を用いることによって、楕円形のビームスポットを円形近づけるため手段、たとえば通常では必ず使用していた整形プリズムを用いない構成とすることもできる。
【００３８】
本願発明に係る光学式情報記録装置は、再生用の光を射出する再生用光源と、再生命令信号に応じて再生用光源から光を射出させる再生光射出制御手段と、再生用光源から射出された光を集光する再生用集光手段と、集光手段で集光された光を光記録媒体の所定の位置に照射する再生光照射位置制御手段と、光記録媒体で反射した光または光記録媒体を透過した光を検出する光検出手段と、光検出手段で検出された光学的信号を電気的信号に変換して光記録媒体に記録された情報を再生する光電気変換手段とをさらに含む構成とすることもできる。この場合、情報の記録とともに記録された情報を再生することができる。この構成の場合、光学的情報記録再生装置とも呼ばれる。
【００３９】
本願発明の光学的情報記録再生装置は、記録用光源と再生用光源として本発明に係る窒化物半導体レーザ素子の１つを共用する構成であっても、それぞれ個別の光源を使用する構成であってもよい。１つの窒化物半導体レーザ素子で記録用光源と再生用光源を兼用する場合、１つのレーザ素子に異なる光強度を出力させための公知の制御手段を用いることができる。また、その他のいかなる手段に関しても、記録用と再生用に兼用して記録再生装置の構造を簡素化する構成を採用してもよい。
【００４０】
本願発明に係る光学的情報記録装置および光学的情報記録再生装置は、消去用の光を射出する消去用光源と、消去命令信号に応じて消去用光源から消去用の光を射出させる消去光射出制御手段と、消去用光源から射出された光を集光する消去用集光手段と、集光手段で集光された光を光記録媒体の所定の位置に照射して記録された情報を消去する消去光照射位置制御手段とをさらに含む構成とすることもできる。この構成の場合、消去可能型の光学的情報記録装置または消去可能型の光学的情報記録再生装置とも呼ばれる。
【００４１】
本願発明の消去可能型の光学的情報記録装置は、記録用光源と消去用光源として本発明に係る窒化物半導体レーザ素子の１つを共用する構成であっても、それぞれ個別の光源を使用する構成であってもよい。また、本願発明の消去可能型の光学的情報記録再生装置は、記録用光源と再生用光源と消去用光源として本願発明に係る窒化物半導体レーザ素子を１つを共用する構成であっても、２つまたは３つの異なるレーザ素子を使用する構成であってもよい。また、その他のいかなる手段に関しても、記録用、再生用および消去用のいずれか２つ以上に兼用して装置の構造を簡素化する構成を採用してもよい。
【００４２】
また、再生用の光を射出する本発明に係る半導体素子と、再生命令信号に応じて再生用光源から光を射出させる再生光射出制御手段と、再生用光源から射出された光を集光する再生用集光手段と、集光手段で集光された光を光記録媒体の所定の位置に照射する再生光照射位置制御手段と、光記録媒体で反射した光または光記録媒体を透過した光を検出する光検出手段と、光検出手段で検出された光学的信号を電気的信号に変換して光記録媒体に記録された情報を再生する光電気変換手段とを含む光学的再生装置を構成することもできる。このような装置は、光学的再生専用装置とも呼ばれる。
【００４３】
さらに、光ファイバーなどの光学的に情報を伝達する媒体に光学的信号を射出する光学的情報伝達装置の光源として、本願発明に係る窒化物半導体レーザ素子を用いてもよい。光学的情報伝達装置としては、たとえば電気的信号で与えられる情報を光学的信号に変換して伝達媒体へ射出する装置や光学的信号を中継する装置が挙げられる。
【００４４】
図１は、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図であり、そのレーザ素子の共振器方向に垂直な断面を表わしている。この窒化物半導体レーザ素子においては、第１導電型の基板１０１上に、少なくとも活性層１０５を含む複数の窒化物半導体層からなる半導体積層構造が形成されている。その半導体積層構造の上側からエッチングを施すことによりリッジストライプが形成されており、これは窒化物半導体レーザ素子の水平方向における光閉込めの役割を果たす。さらに、エッチングされた領域の概略全面上に、単層または複数層から成る埋込み層１１２、１１３が形成されている。ストライプの長手方向における両端面はミラーとして働き、それらのミラーは光共振器を構成している。
【００４５】
ここで、第１導電型および第２導電型とはｐ型またはｎ型を意味し、第１導電型がｐ型である場合には第２導電型はｎ型であり、第１導電型がｎ型である場合には第２導電型はｐ型である。本願明細書においては、後者の場合について記述している。
【００４６】
本願発明の窒化物半導体レーザ素子においては、可視波長の光に対して吸収を有する概略均一な材料からなる埋込み層（以下、埋込み吸収層と称する）が数ｎｍ〜数十ｎｍの薄さで形成されており、その埋込み吸収層上に絶縁性で透明な材料からなる埋込み層が数百ｎｍ以上の厚さで形成されていることを特徴としている。
【００４７】
本願発明に係る窒化物半導体レーザ素子は、単一の材料からなる単層の活性層や異なる材料からなる複数の層が積層した活性層を備えた構成とすることができる。複数の層が積層した活性層としては、単一量子井戸構造の活性層や多重量子井戸構造の活性層が挙げられる。単一量子井戸構造の活性層は、１つの量子井戸層が２つの障壁層で挟まれた構成ある。また、多重量子井戸構造は、量子井戸層と障壁層とが交互に積層されており、かつ最下層と最上層に障壁層を備えた構成（障壁層／量子井戸層／障壁層／・・・／量子井戸層／障壁層）である。
【００４８】
［実施例１］
図１を参照して、本発明の実施例１による窒化物半導体レーザ素子の構造を説明する。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１０１（膜厚３０〜３００μｍ）、ｎ型ＧａＮ下地層１０２（膜厚０．１〜１０μｍ）、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）下部クラッド層１０３（膜厚０．４μｍ以上）、ｎ型ＧａＮ下部光導波層１０４（膜厚０〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層の交互積層構造による多重量子井戸構造からなる活性層１０５（発振波長３７０〜４３０ｎｍ、総膜厚５〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮキャリアブロック層１０６（膜厚０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮ上部光導波層１０７（膜厚０．０５〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（ｙ２＜ｙ１＜０．２）上部クラッド層１０８（膜厚０．０２〜１０μｍ）、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０９（膜厚０．０１〜１０μｍ）が順次が積層さた半導体積層体を含んでいる。
【００４９】
半導体積層体の上側からｐ型上部クラッド層１０８、ｐ型上部光導波層１０７、キャリアブロック層１０６、または活性層１０５のいずれかに達するまでエッチングを施すことによって幅１．５μｍのリッジストライプが形成され、そのリッジストライプ構造によってレーザ素子の導波路部分の水平方向光閉込めを行う。
【００５０】
さらに、エッチングされた領域の底面１１４上において、Ｍｏからなる埋込み吸収層１１２（層厚３ｎｍ）とＳｉＯ2からなる埋込み層１１３（層厚１５０ｎｍ）がこの順に積層されている。正電極１１０は、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９とＳｉＯ2埋込み層１１３を覆うようにに形成されている。負電極１１１は、ｎ型ＧａＮ基板１０１の下面上に形成されている。ストライプの長手方向の両端面はミラーとして働き、それらのミラーは光共振器を構成している。
【００５１】
次に、本実施例１における窒化物半導体レーザ素子の製造方法について述べる。
【００５２】
（基板）：  まず、結晶育成用面として（０００１）Ｃ面を有するｎ型ＧａＮ基板１０１（膜厚１００〜５００μｍ）を洗浄する。洗浄したＧａＮ基板１０１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相析出）装置内に導入し、Ｈ2雰囲気中で約１１００℃の高温でその基板のクリーニングを行う。
【００５３】
（低温成長バッファ層）：  その後、基板を降温して、キャリアガスとしての水素（Ｈ2）を１０リットル／ｍｉｎで流しながらＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、６００℃の基板温度の下でＮＨ3とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をそれぞれ５リットル／ｍｉｎと２０ｍｏｌ／ｍｉｎで導入して、０〜１０μｍ以下（たとえば１００ｎｍ）の厚みのｎ型ＧａＮからなる低温成長バッファ層を堆積させる。この低温成長バッファ層は、下地層１０２に含まれるものである。ここでは、ｎ型ＧａＮの低温成長バッファ層の形成について説明したが、ｎ型ＧａＮに限らず、ＳｉＨ4の導入量を０ｍｏｌ／ｍｉｎとしたノンドープのＧａＮ層でもよく、さらにＡｌやＩｎを含むＡｌＧａＩｎＮ系の膜を用いても何ら問題はない。Ａｌを含める場合にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を成膜時に適量導入し、Ｉｎを含める場合にはトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を成膜時に適量導入すればよい。
【００５４】
（ｎ型ＧａＮ層）：  次に、Ｎ2とＮＨ3をそれぞれ５リットル／ｍｉｎで流しながら、約１０５０℃まで基板を昇温する。基板温度が上がれば、キャリアガスをＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎでかつＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで導入して、ｎ型ＧａＮ層を厚さ０．１〜１０μｍ（たとえば約４μｍ）に成長させる。このｎ型ＧａＮ層も下地層１０２に含まれるものである。
【００５５】
（ｎ型バッファ層）：  次に、ＴＭＧおよびＳｉＨ4の供給を停止して、キャリアガスをＨ2からＮ2に代える。そして、約８００℃まで基板を降温の後に、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで導入して、ＴＭＩを一定量流しながら、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（たとえばｒ＝０．０７）バッファ層を厚さ０〜２００ｎｍに成長させる。このｎ型バッファ層も、下地層１０２に含まれるものである。
【００５６】
（ｎ型クラッド層）：  次に、ＴＭＩ、ＴＭＧ、およびＳｉＨ4の供給を停止して、再び基板を１０５０℃まで昇温する。そして、キャリアガスを再びＮ２からＨ２に代えて、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを一定量で導入して、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（たとえばｘ＝０．１）のクラッド層１０３を０．４μｍ以上（たとえば１μｍ）の厚さに成長させる。
【００５７】
（ｎ側光導波層）：  ｎ型クラッド層１０３の成長が終了すれば、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｎ型ＧａＮ光導波層１０４を０〜０．１５μｍ（たとえば１００ｎｍ）の厚さになるように成長させる。なお、ｎ側光導波層は、ノンドープ光導波層であってもよい。
【００５８】
（活性層）：  その後、ＴＭＧの供給を停止させて、キャリアガスをＨ2からＮ2に再び代える。そして、基板を７００℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を所定量で導入するとともに、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎで導入し、ＩｎvＧａ1-vＮ（たとえばｖ＝０．０２３）からなる障壁層を成長させる。その後、ＴＭＩの供給を所定量まで増加させ、ＩｎwＧａ1-wＮ（たとえばｗ＝０．０７０）からなる井戸層を成長させる。これらのＩｎＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層の成長を繰り返して、交互多層構造（障壁層／井戸層／・・・／井戸層／障壁層）からなる多重量子井戸活性層１０５を形成する。障壁層および井戸層を形成するＩｎＧａＮの混晶比および膜厚は、発光波長が３７０〜４３０ｎｍの範囲になるように設計し、成長時に導入するＴＭＩの流量はその設計値に等しいＩｎ組成の膜が得られるように調節される。井戸層の層数は、２〜６の範囲内にあることが好ましく、特に３が好ましい。なお、井戸層および／または障壁層はノンドープであってもよく、Ｓｉなどのドーパントを含むｎ型であってもよい。
【００５９】
（ｐ型キャリアブロック層）：  多重量子井戸活性層１０５の成長が終了すれば、ＴＭＩおよびＴＭＧの供給を停止させる。そして、再び基板を１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを適量、ｐ型ドーピング原料であるビスシクロペンタジエニルマグメシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで流し、０〜２０ｎｍ厚のｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（たとえばｚ＝０．２）キャリアブロック層１０６を成長させる。このキャリアブロック層は、活性層の蒸発を防止する蒸発防止層としても作用する。なお、ｐ型キャリアブロック層は、ノンドープのキャリアブロック層であってもよい。
【００６０】
（ｐ側光導波層）：  キャリアブロック層１０６の成長が終了すれば、ＴＭＡの供給を停止させる。そして、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｐ型ＧａＮからなる光導波層１０７を０．０５〜０．１５μｍ（たとえば０．１μｍ）の厚さに成長させる。なお、ｐ側光導波層は、ノンドープ光導波層であってもよい。
【００６１】
（ｐ型クラッド層）：  その後、ＴＭＧの供給を５０μｍ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを所定量で導入し、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮ（たとえばｙ＝０．０７）のクラッド層１０８を厚さ０．０２〜１０μｍ（たとえば０．５μｍ）に成長させる。
【００６２】
（ｐ型コンタクト層）：  最後に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ＴＭＡの供給を停止し、０．０１〜１０μｍ厚（たとえば０．１μｍ厚）のｐ型ＧａＮコンタクト層１０９の成長を行って半導体積層構造の形成を終了させる。結晶成長が終了すれば、ＴＭＧおよびＣｐ2Ｍｇの供給を停止して基板を降温し、基板上の複数の半導体層を含むウエハを室温にてＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
【００６３】
その後、フォトリソグラフィ技術および反応性イオンエッチング技術を用いて、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を１〜４μｍ（たとえば２μｍ）幅のストライプ状に残してｐ型光導波層１０７までエッチングを行い、光導波路を構成するためのストライプを形成する。このとき、エッチングされた領域における、ｐ型光導波層１０７の残し膜厚は、水平方向ＦＦＰの半値全角θ‖＝７〜１２度の範囲内（たとえば９．５度）となるように調節する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９が電極と接触する部分を除いて埋込み層１０２、１０３を形成する。
【００６４】
その後、ｐ型コンタクト層１０９を覆うように正電極１１０を形成する。電極材料としては、たとえばＡｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｐｄ、Ａｕ／Ｍｏ／Ｐｄなどを用いればよい。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面上に負電極１１１を形成する。負電極材料としては、たとえばＡｌ／ＴｉまたはＡｕ／Ｗを用いればよい。
【００６５】
次に、ウェハを劈開して共振器ミラーとなる端面を形成することによって、図１に示す窒化物半導体レーザ素子が完成する。
【００６６】
図３（ａ）〜（ｃ）は、ストライプ外局所吸収係数［ｃｍ-1］を横軸に取り、基本次水平横モードおよび１次水平横モードの吸収係数を電界分布計算により求めて、それらの吸収係数を縦軸に取ってプロットしたグラフである。図３（ａ）において、直線３０１および３０２は、ストライプ幅が２．０μｍのときの基本次水平横モードおよび１次水平横モードの吸収係数をそれぞれ表している。また図３（ｂ）において、直線３０３および３０４は、ストライプ幅が１．５μｍのときの基本次水平横モードおよび１次水平横モードの吸収係数をプロットしたものである。ここで、ストライプ外局所等価屈折率の実数部は、それぞれのストライプ幅におけるＦＦＰの水平方向半値全角が９．５°となるように定めている。また、図３（ｃ）において、直線３０５および３０６は、ストライプ幅が２．０μｍのときの基本次水平横モードおよび１次水平横モードの吸収係数をそれぞれ表すが、ＦＦＰの水平方向半値全角が１２．０°となるようにストライプ外局所等価屈折率の実数部を定めて計算している。
【００６７】
図３から明らかなように、ストライプ外局所吸収係数が増加すれば、基本次水平横モードおよび１次水平横モードの吸収係数は単調増加傾向を示す。また基本次水平横モードに比べて１次水平横モードの方が吸収係数は大きくなるが、これは１次水平横モードの電界分布の方が基本次水平横モードに比べてストライプ外領域へ多く染み出すので、よりストライプ外局所吸収係数の影響を受けるためである。また、ストライプ幅が狭いほど吸収係数は大きくなるが、これは、ストライプ幅が狭くなるほど各水平横モードの電界分布がストライプ外領域へ染み出しやすくなるので、よりストライプ外局所吸収係数の影響を受けるからである。またＦＦＰの水平方向半値全角が小さくなるほど吸収係数は大きくなるが、これは、ＦＦＰの水平方向半値全角が小さいということは水平方向の閉込めが悪くなることと等価であり、各水平横モードの電界分布がストライプ外領域へ染み出しやすくなるので、よりストライプ外局所吸収係数の影響を受けるからである。
【００６８】
ここで、ストライプ幅が１．０μｍ、１．５μｍ、および２．０μｍのそれぞれの場合において、ＦＦＰの水平方向半値全角が７．０°、９．５°、および１２．０°の場合を考える。個々の場合において、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数の差が１０ｃｍ-1以上となるストライプ外局所吸収係数、および基本次モード吸収係数が５ｃｍ-1となるストライプ外局所吸収係数の値を図３（ａ）〜（ｃ）と同じ要領で計算すれば、表１が得られる。
【００６９】
【表１】
2006269954.tif 000004
【００７０】
表１から、ストライプ幅Ｗ［μｍ]およびＦＦＰ水平方向半値全角θ‖［°］を用いて、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数の差がｘｃｍ-1となるストライプ外局所吸収係数［ｃｍ-1］の値は次式４で近似できる。
ｘ／１０×ｅｘｐ［−０．２２６８３４−０．７３４３５・Ｗ−０．０９２１４０２・θ‖＋０．３９３３２５Ｗ・θ‖］         （式４）
また、基本次モード吸収係数の値がｙ［ｃｍ-1］となるストライプ外局所吸収係数［ｃｍ-1］の値は次式５で近似できる。
ｙ／５×ｅｘｐ［４．２６７０５−２．３１０１８・Ｗ−０．３５１３８・θ‖＋０．４８５６７Ｗ・θ‖］                            （式５）
高出力まで基本次水平横モードを維持するためには、最適なストライプ外局所吸収係数αout［ｃｍ-1］は、基本次水平横モード吸収係数をｙ［ｃｍ-1］程度以下に保ちつつ、基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数差をｘ［ｃｍ-1］程度以上にする必要がある。したがって、αout［ｃｍ-1］が満たすべき範囲は、ストライプ幅Ｗ［μｍ］およびＦＦＰ水平方向半値全角θ‖［°］を用いて次式６のように書くことができる。
ｘ／１０×ｅｘｐ［−０．２２６８３４−０．７３４３５・Ｗ−０．０９２１４０２・θ‖＋０．３９３３２５Ｗ・θ‖］  ≦  αout  ≦  ｙ／５×ｅｘｐ［４．２６７０５−２．３１０１８・Ｗ−０．３５１３８・θ‖＋０．４８５６７Ｗ・θ‖］      （式６）
すなわち、たとえば基本次水平横モードと１次水平横モードの吸収係数差を１０ｃｍ-1以上として、基本次モードの吸収係数を５ｃｍ-1以下とするためには、ストライプ幅Ｗ＝２．０μｍでθ‖＝９．５°とする窒化物半導体レーザ素子においては、上式６からストライプ外局所吸収係数は１３５≦αout≦２５４の範囲内とすればよい。また他の例として、ストライプ幅Ｗ＝１．５μｍでθ‖＝９．５°とする窒化物半導体レーザ素子においては、上式６からストライプ外局所吸収係数は３０≦αout≦８０の範囲内とするのがよい。
【００７１】
図４は、１×１０5ｃｍ-1の吸収係数を有する埋込み吸収層１０２の厚さを横軸にとって変化させた場合に、ストライプ外局所吸収係数の値を計算してプロットしたものである。曲線４１１〜４１５は、埋込み層１０２の屈折率の実数部がそれぞれ１．０、２．０、３．０、４．０、および５．０の場合を表している。
【００７２】
図４中の曲線４１１と４１２の形状から明らかなように、埋込み吸収層１０２の屈折率実数部Ｒが窒化ガリウムの屈折率ｎGaN（波長４００ｎｍでｎGaN〜２．５）未満の場合は、その埋込み吸収層の厚さが増加するとともにストライプ外局所吸収係数が増加し、層厚が次式７の値以上になれば、ほぼ一定値となる傾向を示している。
｛２π√（ｎGaN2−Ｒ2）／λ＋（α／２００００）｝-1  ［μｍ］    （式７）
ここでｎGaNは、レーザ発振波長λ［μｍ］における窒化ガリウムの屈折率を表しており、α［ｃｍ-1］は埋込み吸収層１０２の吸収係数を表している。上記値は、埋込み吸収層１０２の下側面に対する上側面の電界振幅が１／ｅになる層厚を示しており、Ｒ＝２でα＝１０5ｃｍ-1の場合は０．０３５μｍ、Ｒ＝１でα＝１０5ｃｍ-1の場合は０．０２４μｍである。従来の窒化物半導体レーザ素子では吸収係数が大きすぎて埋込み吸収層として使用できなかった材料でも、厚さを上式７で決定される値以下に設定すれば、本発明における埋込み吸収層１０２として使用することができる。
【００７３】
また、図４中の曲線４１３、４１４、および４１５の形状を見れば、埋込み吸収層１０２の屈折率実数部Ｒが窒化ガリウムの屈折率ｎGaN以上の場合は、埋込み吸収層の厚さが増加するとともにストライプ外局所吸収係数が振動特性を示す。この振動の振幅は、層厚が増加する程小さくなり、埋込み吸収層１０２の吸収係数がα［ｃｍ-1］の場合に、層厚がおよそ
１０4／α［μｍ］           （式８）
以上になれば十分に小さくなる。上式８の値は、埋込み吸収層１０２の下側面に対する上側面の電界振幅が１／ｅになる層厚を示しており、たとえば埋込み吸収層１０２の吸収係数が１×１０5ｃｍ-1の場合は０．１μｍ以上で、１×１０6ｃｍ-1の場合は０．０１μｍ以上の層厚で振動振幅がほぼ零になる。従来の窒化物半導体レーザ素子では吸収係数が小さすぎて埋込み吸収層として使用できなかった材料でも、埋込み吸収層の厚さが式８で決定される値以下で、かつストライプ外局所吸収係数の極大値となる層厚に設定する場合には、十分大きなストライプ外局所吸収係数を得ることができて使用することができる。すなわち、式８で決定される値以下の層厚になっていれば、本発明の効果が生し得る。
【００７４】
上述のような振動特性を示す原因は、以下の通りである。すなわち、窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振モードが埋込み吸収層を導波層とする導波モードに結合する条件となったときに、埋込み吸収層におけるレーザ発振モードの光強度が強くなって、ストライプ外局所吸収係数が強くなるからである。
【００７５】
図５は、３×１０5ｃｍ-1の吸収係数を有する埋込み吸収層１０２の厚さを横軸にとって変化させた場合に、ストライプ外局所吸収係数の値を計算してプロットしたグラフである。曲線５１１〜５１５は埋込み層１０２の屈折率の実数部がそれぞれ１．０、２．０、３．０、４．０、および５．０の場合を表している。図４に比べれば、図５においてストライプ外局所吸収係数が全体的に小さくなっている。これは、埋込み吸収層の吸収係数が大きくなれば、埋込み吸収層におけるレーザ発振モードの電界振幅が小さくなって、埋込み吸収層の影響が小さくなるからである。
【００７６】
図６は、１×１０6ｃｍ-1の吸収係数を有する埋込み吸収層１０２の厚さを横軸にとって変化させた場合に、ストライプ外局所吸収係数の値を計算してプロットしたグラフである。曲線６１１〜６１５は、埋込み層１０２の屈折率の実数部がそれぞれ１．０、２．０、３．０、４．０、および５．０の場合を表している。図４および図５に比べて、図６ではさらにストライプ外局所吸収係数の値が小さくなっている。
【００７７】
上述のように、埋込み吸収層１０２の厚さは、ストライプ外局所吸収係数が式６で決定される範囲内となるように設定すればよい。
【００７８】
本実施例１の窒化物半導体レーザ素子においては、埋込み吸収層の材料としてＲ＝３．００（＞ｎGaN）およびα＝１×１０6ｃｍ-1を有するＭｏ（モリブデン）を使用しているので、式８で決定される層厚＝０．０１μｍ以下に設定する必要がある。本実施例１では、埋込み吸収層１０２の厚さが３ｎｍであり、上記範囲を満たしている。また本実施例１では、ストライプ幅が１．５μｍでＦＦＰ水平方向半値全角θ‖＝９．５°となっているので、式６によりストライプ外局所吸収係数αoutは３０≦αout≦８０［ｃｍ−１］とする必要がある。本実施例１の窒化物半導体レーザ素子においては、図６の曲線６０３にしたがって、層厚が３ｎｍのときにストライプ外局所吸収係数が７７ｃｍ-1となっており、上記範囲を満たしている。
【００７９】
図５および図６を見れば、窒化物半導体レーザ素子において本発明の効果を奏するためには、吸収層１０２の厚さは０．０４μｍ以下である必要がある。また、その層厚を最低限安定的に制御できる範囲の下限として、０．００１μｍ以上である必要がある。
【００８０】
本実施例１において、埋込み吸収層１０２は、リッジストライプの両側面に接するように形成したが、リッジストライプの両側面から少なくとも０．５μｍまでの範囲内にわたって０．００１μｍ以上の層厚が存在していれば、本発明の効果が生じ得る。すなわち、たとえばリッジストライプの両側面に接するように透明な埋込み層１０３が存在していても、リッジストライプの側面からの距離が０．５μｍ以内の領域において可視波長に対して吸収を有する埋込み層１０２の厚さが０．００１μｍ以上の領域が存在していれば、本発明の効果が生じ得る。換言すれば、たとえばリッジストライプの側面から０．５μｍより離れた領域において、可視波長に対して吸収を有する埋込み層が存在しないかまたはその層厚が０．００１μｍ未満の領域があっても、本発明の効果が生じ得て本発明の請求範囲内となる。
【００８１】
また、本実施例１においては埋込み吸収層１０２の材料としてＭｏを用いたが、他の材料を用いることもできる。他の埋込み吸収層材料が、図８のグラフにおいてに例示されている。このグラフにおいて、横軸は埋込み吸収層材料の屈折率の実数部を表し、縦軸は吸収係数を表している。図８に示されているように、埋込み吸収層用材料として、Ａｌ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕなどの金属材料、Ｓｉ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＡｓなどの半導体材料、そしてＳｉＯ、ＴｉＯxなどの絶縁体材料などを利用し得る。
【００８２】
さらに、本発明の窒化物半導体レーザ素子において、第１導電型用の電極および第２導電型用の電極は、単一の金属材料または合金材料からなる単層電極であってもよく、互いに異なる金属材料または合金材料を含む積層電極であってもよい。
【００８３】
［実施例２］
図１に類似した図２は、本発明の実施例２による窒化物半導体レーザ素子を模式的な断面で示している。この窒化物半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＮ基板２０１（膜厚３０〜３００μｍ）上に、ｎ型ＧａＮ下地層２０２（膜厚０．１〜１０μｍ）、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）の下部クラッド層２０３（膜厚０．４μｍ以上）、ｎ型ＧａＮの下部光導波層２０４（膜厚０〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層の交互積層構造による多重量子井戸構造からなる活性層２０５（発振波長３７０〜４３０ｎｍ、総膜厚５〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮキャリアブロック層２０６（膜厚０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮ上部光導波層２０７（膜厚０．０５〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（ｙ２＜ｙ１＜０．２）の上部クラッド層２０８（膜厚０．０２〜１０μｍ）、およびｐ型ＧａＮコンタクト層２０９（膜厚０．０１〜１０μｍ）が順次堆積された半導体積層構造が形成されている。
【００８４】
その半導体積層構造の上側からｐ型上部クラッド層２０８、ｐ型上部光導波層２０７、キャリアブロック層２０６、または活性層２０５までエッチングを施すことにより、リッジストライプが形成されており、それによってレーザ素子の導波路部分の水平方向における光閉込めを行っている。
【００８５】
さらに、エッチングされた領域の概略全面２１５上に、埋込み層２１２、２１３、および２１４が形成されている。正電極２１０は、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９および埋込み層２１３を覆うように形成されている。負電極２１１は、ｎ型ＧａＮ基板２０１の下面上に形成されている。ストライプの長手方向の両端面はミラーとして働き、それらのミラーは光共振器を構成している。
【００８６】
本実施例２の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、埋込み層が３層からなることを除けば実施例１の場合と同様であるので、その詳細な説明は省略する。すなわち、実施例１の場合に比べて、本実施例２の窒化物半導体レーザ素子では、エッチングされた領域２１５上に形成された埋込み層において、可視波長に対して透明で絶縁性の埋込み層２１４と、可視波長に対して吸収する材料からなる埋込み吸収層２１２と、絶縁性の埋込み層２１３が順次堆積されていることを特徴としている。
【００８７】
本発明の窒化物半導体レーザ素子においては、埋込み吸収層の厚さの制御によってリストライプ外局所吸収係数の値が式６を満たすように調整することが可能であるが、本実施例２のように、透明で絶縁性の埋込み層２１４を埋込み吸収層２１２とエッチング底面２１５との間に介挿することによって、ストライプ外局所吸収係数の値を調整することもできる。
【００８８】
図７は、埋込み層２１４の材料としてＳｉＯ2を用いた場合に、その埋込み層の厚さに対するストライプ外局所吸収係数の依存性を示している。この図７において、埋込み吸収層２１２に関してその屈折率実数部Ｒ＝３．０および吸収係数α＝１０5ｃｍ-1を仮定して計算しており、曲線７０１は層厚を無限大として計算した場合であり、曲線７０２、７０３、および７０４はＳｉＯ2埋込み層２１４の厚さが５０ｎｍ、３０ｎｍ、および１０ｎｍであるとして計算した場合を表している。いずれの場合においても、ＳｉＯ2層２１４の厚さが増加するればストライプ外局所吸収係数は単調減少する傾向を示しており、その減少割合は埋込み吸収層２１２の厚さによらずにほぼ一定である。また、図７には示していないが、埋込み吸収層２１２の屈折率実数部Ｒや吸収係数αが上述の場合と異なる値であっても、ＳｉＯ2層２１４の厚さ増加に対するストライプ外局所吸収係数の減少割合はほぼ一定である。より一般的に記述すれば、埋込み層２１４の厚さが０の場合におけるストライプ外吸収係数をα0とすれば、レーザ発振波長λ［μｍ］における屈折率ｎ2および層厚ｔ2[μｍ]の埋込み層２１４が存在する場合のストライプ外局所吸収係数は次式９で記述される値となる。
【００８９】
【数２】
2006269954.tif 000005
【００９０】
すなわち、上式９で決定されるストライプ外局所吸収係数が式６を満たすように、埋込み層２１４の厚さを設定すればよい。
【００９１】
なお、実施例１に示す窒化物半導体レーザ素子では、埋込み層吸収層１０２が金属などの電気伝導体の場合に電流が活性層１０５の全体に広がる恐れがあり、その場合にはリッジストライプ直下における電流密度を上げることが出来ず、そのレーザ素子における動作電流の大幅な増加を招く恐れがある。他方、本実施例２の窒化物半導体レーザ素子のように、絶縁性材料からなる埋込み層２１４を介挿することにより、そのような問題を解消することができ、すなわちリッジストライプ直下のみに電流を狭窄させることができるようになる。
【００９２】
本実施例２の窒化物半導体レーザ素子におけるもう一つの効果が、次に説明される。窒化物半導体レーザ素子の作製工程において、共振器ミラーとなる端面は、前述のように劈開により形成される。しかし、埋込み吸収層に金属を用いた場合は、金属の展性に起因して、埋込み吸収層の端面が半導体積層構造の端面と一致しないことがある。埋込み吸収層の端面が半導体積層構造の端面より外側にある場合、埋込み吸収材料がその半導体積層構造その側面と接触すれば、ｎ型の窒化物半導体層とｐ型の窒化物半導体層が短絡して無効電流を生ずるようになるので、レーザ素子特性に対してに動作電流の増加などの悪影響を及ぼすことがある。しかし、本実施例２の窒化物半導体レーザ素子においては、埋込み吸収層２１２を数十ｎｍと薄く形成しているので、従来の窒化物半導体レーザに比べ、上記悪影響を及ぼす確率を下げることができるという効果をも奏する。
【００９３】
なお、本実施例２の窒化物半導体レーザ素子において、埋込み層２１４は、リッジストライプの側面から少なくとも０．５μｍまでの範囲内にわたって必要な厚さに形成されていればよい。たとえば、リッジストライプの側面から０．５μｍより離れた領域において、埋込み層２１４が存在しないか所定の層厚と異なる埋込み層が存在していても、レーザ素子の特性には実質的に影響を与えない。
【００９４】
なお本実施例２において、可視波長に対して吸収を示す埋込み層２１２および絶縁性の埋込み層２１３、２１４はそれぞれ１層ずつで構成されたものを示したが、複数のサブ層から形成されていてもよい。その場合は、各サブ層の屈折率および吸収係数をサブ層厚で加重平均した値および、総膜厚が所定の条件を満たしていればよい。
【００９５】
［実施例３］
本発明の実施例３による消去可能型の光学式情報記録再生装置は、本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子を記録光用の光源として用いた構成を有している。光源以外の構成については、公知の構成を用いることができる。図９は、本実施形態３の光学式情報記録再生装置の記録動作における記録用レーザ光の伝搬経路、再生動作における再生用光の伝搬経路、および消去動作における消去用光の伝搬経路、ならびに光学系を説明するための模式的ブロック図である。
【００９６】
この光学式情報記録再生装置は、本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子１００１と、レーザ光射出制御手段（図示せず）と、コリメータレンズ１００２と、ビーム整形プリズム１００３と、ビームスプリッタ１００４と、対物レンズ（集光手段）１００５と、光ディスク（光記録媒体）１００６と、光照射位置制御手段（図示せず）と、光検出系（光検出手段）１００７とを含んでいる。なお、図９においては、図面の簡略のために、本発明の特徴を説明するのに不要な部品（手段）が図示省略されている。
【００９７】
図９の光学式情報記録再生装置においては、窒化物系半導体レーザ素子１００１が、記録用の光源、再生用の光源、および消去用の光源を兼ねている。また、レーザ光射出制御手段は光源１００１に対して異なる出力のレーザ光を射出させることができ、再生動作の際には、記録用光および消去用光に比べて低い出力のレーザ光を射出させることができる。
【００９８】
記録動作時および消去動作時には、窒化物系半導体レーザ装置１００１から出射したレーザ光が、コリメータレンズ１００２で平行光または平行に近い光に変換され、ビーム整形プリズム１００３およびビームスプリッタ１００４を経て、対物レンズ１００５によって光ディスク１００６の情報記録面に集光される。そして、光ディスク１００６の情報記録面には、磁気変調または屈折率変調によってビット情報が書き込まれる。再生動作時には、記録時および消去時と同様の過程を経て半導体レーザ装置１００１から出射したレーザ光が、凹凸、磁気変調、または屈折率変調によって記録されている光ディスクの情報記録面に集光される。その集光されたレーザ光は、その記録面で反射され、対物レンズ１００５を介してビームスプリッタ１００４を透過して光検出系１００７に入射する。光検出系１００７によって光学的に検出された信号が電気的信号に変換されて、後段の電気回路（図示せず）によって記録情報の読み取りが行われる。
【００９９】
本発明の窒化物半導体レーザ素子を備えた光学式情報記録再生装置においては、記録動作時に１０-6以下の欠陥発生率が達成され、再生動作時には書き込まれた情報をビット読み取りエラー率１０-6で読み出すことができた。
【０１００】
これに対して、従来の窒化物系半導体レーザ素子を備えた光学式情報記録再生装置においては、記録動作時の欠陥発生率および再生動作時のビット誤り率が、ともに１０-3のオーダーであった。こような相違は、高出力まで基本次水平横モードの発振を維持しかつ高出力までキンクを生じないＩ−Ｌ特性を有する本発明の窒化物半導体レーザ素子を光学式記録再生装置に用いたことにより、光ディスク上に集光されたレーザ光の出力が高くかつ安定したことに起因している。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
以上のように、本発明によれば、動作電流の増大を抑制しつつ高出力まで安定な横モード発振を実現し得る窒化物半導体レーザ素子を高い歩留りで提供することができる。そして、そのような窒化物半導体レーザ素子を利用することによって、高速かつ高密度で記録可能な光学式情報記録装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明による窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明による窒化物半導体レーザ素子の他の例を示す模式的断面図である。
【図３】ストライプ外局所吸収係数と水平横モードの吸収係数との関係を示すグラフである。
【図４】１×１０5ｃｍ-1の吸収係数を有する埋込み吸収層の厚さとストライプ外局所吸収係数との関係を示すグラフである。
【図５】３×１０5ｃｍ-1の吸収係数を有する埋込み吸収層の厚さとストライプ外局所吸収係数との関係を示すグラフである。
【図６】１×１０6ｃｍ-1の吸収係数を有する埋込み吸収層の厚さとストライプ外局所吸収係数との関係を示すグラフである。
【図７】埋込み吸収層下のＳｉＯ2埋込み層の厚さとストライプ外局所吸収係数との関係を示すグラフである。
【図８】埋込み吸収層に使用し得る材料の屈折率実数部とその材料の埋込み層の吸収係数とを示すグラフである。
【図９】本発明による光学式情報記録再生装置の一例を示す模式的ブロック図である。
【図１０】図１０は従来の典型的な窒化物半導体レーザ素子の構造を表わす模式的な断面図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０１  ｎ型ＧａＮ基板、１０２  ｎ型ＧａＮ下地層、１０３  ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ下部クラッド層、１０４  ｎ型ＧａＮ下部光導波層、１０５  ＩｎwＧａ1-wＮの井戸層と障壁層の交互積層構造による多重量子井戸構造からなる活性層、１０６  ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮキャリアブロック層、１０７  ｐ型ＧａＮ上部光導波層、１０８  ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ上部クラッド層、１０９  ｐ型ＧａＮ、１１０  正電極、１１１  負電極、１１２  Ｍｏ埋込み吸収層、１１３  ＳｉＯ2埋込み層、１１４  エッチングされた領域の底面、２０１  ｎ型ＧａＮ基板、２０２  ｎ型ＧａＮ下地層、２０３  ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ下部クラッド層、２０４  ｎ型ＧａＮ下部光導波層、２０５  ＩｎwＧａ1-wＮの井戸層と障壁層の交互積層構造による多重量子井戸構造からなる活性層、２０６  ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮキャリアブロック層、２０７  ｐ型ＧａＮ上部光導波層、２０８  ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ上部クラッド層、２０９  ｐ型ＧａＮコンタクト層、２１０  正電極、２１１  負電極、２１２  可視波長に対して吸収する埋込み吸収層、２１３  絶縁性の埋込み層、２１４  可視波長に対して透明で絶縁性の埋込み層、２１５  エッチングされた領域、１００１  窒化物系半導体レーザ素子、１００２  コリメータレンズ、１００３  ビーム整形プリズム、１００４  ビームスプリッタ、１００５  対物レンズ、１００６  光ディスク、１００７  光検出系。
【図１】
2006269954.tif 000006
【図２】
2006269954.tif 000007
【図３】
2006269954.tif 000008
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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